2.1　挡水及泄水建筑物

2.1.1　挡水建筑物

挡水建筑物是拦截水流、壅高水位、形成水库以集中落差、调节流量的建筑物,如坝(重力坝、拱坝、土石坝、橡胶坝)、闸等。有些水工建筑物功能并不单一,难以严格区分。如各种溢流坝,既是挡水建筑物也是泄水建筑物。

按坝高分为高坝、中坝、低坝:高坝(high dam)按现行规范高度为70m以上的坝;中坝(medium dam)按现行规范高度为30m至70m的坝;低坝(low dam)按现行规范高度为30m以下的坝。

按筑坝材料分可分为浆砌石坝、混凝土坝、当地材料坝(土坝、堆石坝等)按坝型可分为重力坝、拱坝、土石坝等。

2.1.1.1　重力坝(gravity dam)

主要依靠自身重量抵抗水的作用力等荷载以维持稳定的坝。筑坝材料为混凝土(常规混凝土、碾压混凝土、堆石混凝土)或浆砌石。重力坝按结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝和预应力重力坝;按泄水条件可分为溢流坝和非溢流坝。坝体布置有廊道,坝顶结合闸门、启闭设备布置、操作检修、交通观测等要求设置有坝顶工作桥、交通桥等。

1.廊道

坝内根据要求设置有廊道及竖井,廊道主要作用如下:

(1)施工期进行帷幕灌浆。灌浆后,使非岩溶地区岩体相对隔水层的透水率q符合以下规范要求。坝高在100m以上,q=1～3Lu;坝高在50～100m,q=3～5Lu;坝高在50m以下,q≤5Lu。

(2)排水。坝身设置排水管,渗水排至廊道。在廊道里还设置有坝基排水孔,集中与排除坝体和坝基的渗水,降低坝基扬压力。

(3)安全监测。廊道布置安全监测设施,监测坝体的工作状态。

(4)其他。坝内通风和铺设风、水、电管路;坝内交通运输及其他要求。

2.坝体分缝

分缝的主要作用是适应基础和温度变形,包括横缝、纵缝,横缝又可分为伸缩缝或沉陷缝。

3.止水和排水

在重力坝横缝的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝处的四周等部位布置有止水设施。在上游面防渗层下游设置有铅直或近乎铅直的排水管系。排水管通至纵向排水廊道,其上部通至上层廊道或坝顶(或溢流面以下),以便于检修。

4.消能

重力坝一般根据坝高及地质情况,可用挑流式消能、底流式消能、面流式及消力戽消能。

影响重力坝抗滑稳定的因素。位于均匀岩基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是:首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区,随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服,进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸,最后形成滑动通道,导致大坝的整体失稳。

影响重力坝稳定的主要因素为:坝与地基或坝基内软弱夹层的抗剪强度指标(C、ϕ值)、坝基扬压力、坝体所受垂直和水平荷载(∑V、∑H)。特别是基础面的抗剪强度指标,由于变化范围较大,对重力坝的抗滑稳定性常起着至关重要的作用。重力坝荷载见图2.1.1。造成重力坝抗滑稳定性不足的常见的原因有以下几个方面,运行中应特别注意。

(1)坝基地质条件不良。在地质勘察工作中,忽略了坝基内摩擦系数极小的薄层黏土夹层或软弱结构面,而在设计中采用了过高的抗剪强度指标。或者未发现造成深层抗滑稳定的缓倾角软弱结构面。坝基存在延伸到下游的缓倾角软弱结构面,当采用了挑流消能方式时,冲坑切断软弱结构面形成临空面,而影响稳定。施工时坝基开挖深度不够,将坝体置于强风化岩层上,未采取固结灌浆等措施,使坝与地基接触面之间的抗剪强度指标减小。

(2)应力水平不合理。使坝踵垂直应力出现拉应力,上游面底部形成裂缝,增大了扬压力,使坝体稳定性降低。防渗帷幕断裂漏水,或者由于管理不善而造成排水设备堵塞失效,这样均将增大坝基扬压力,降低坝体的抗滑稳定安全系数。

(3)管理运用不善,造成水库水位超过设计最高水位,甚至出现洪水漫坝情况,增大了坝体所受水平推力。此外,如果下游冲刷坑过分靠近坝体,也将减小坝体的抗滑稳定性。

2.1.1.2　拱坝

拱坝是指固结于基岩的空间壳体结构,结构上属于周边固定的高次超静定结构,在平面上呈拱向上游的拱形,其拱冠剖面是呈竖直或向上游凸出的曲线形,坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用,并不全靠坝体自重来维持。区别与重力坝其需设横缝,拱坝坝身不设永久性伸缩缝,温度变化和基岩变形对拱坝应力影响显著。

拱坝的厚薄程度常用拱坝最大坝高处的坝底厚度T与坝高H之比来表征。T/H<0.2的拱坝称为薄拱坝,T/H=0.2～0.35的拱坝称为中厚拱坝,T/H>0.35的拱坝称为厚拱坝。

坝体结构既有拱作用又有梁作用,其所受水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸,另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。拱坝按坝面曲率分为单曲拱坝、双曲拱坝、变曲率拱坝。单曲拱坝指水平截面呈曲线形,竖向悬臂梁截面不弯曲的拱坝。双曲拱坝指水平截面和竖向截面均呈曲线形的拱坝。变曲率拱坝由抛物线、椭圆、双曲线、多心圆、对数螺悬线或其他变曲率的水平拱圈所组成。

区别于重力坝,拱坝一般是正常蓄水位+温降工况对应力起控制作用,用拱梁分载法计算时,坝体内的主压应力,1、2级拱坝的安全系数采用4.0,3级拱坝的安全系数采用3.5;对于非地震情况特殊荷载组合,1、2级拱坝的安全系数采用3.5,3级拱坝的安全系数采用3.0。对于基本荷载组合,拉应力不得大于1.2MPa;对于非地震情况特殊荷载组合,拉应力不得大于1.5MPa。用抗剪断公式计算拱座抗滑安全系数,3级坝基本组合时3.0,特殊组合为2.5,地震时为2.3。拱坝的泄洪消能方式一般有:跌流式、鼻坎挑流式、坝身泄水孔、滑雪道式等。拱坝示意图见图2.1.2。

2.1.1.3　水闸

进水闸(或称取水闸),既是挡水建筑物也是泄水建筑物。建在河道、水库或湖泊的岸边,用来引水灌溉、发电或其他进水需要和控制流量。因其通常建在渠首的首部,故又称渠首闸。水电站一般为闸坝结合。水闸一般由三部分组成,即上游连接段、闸室和下游连接段。

1.上游连接段

处于水流行进区,其主要作用是引导水流平稳地进入闸室,保护上游河床及岸坡免于冲刷,并有防渗作用。一般包括上游防冲槽、铺盖、上游翼墙及两岸护坡等。

2.闸室

闸室是水闸的主体,起着控制水流和连接两岸的作用,包括闸门、闸墩、底板、工作桥、交通桥等几部分。底板是闸室的基础,闸室的稳定主要由底板与地基间的摩擦力来维持,同时还起着防冲、防渗流破坏的作用。闸墩的作用是分隔闸孔,支承闸门。在闸墩上建有装置闸门启闭设备的工作桥和满足交通需要的交通桥。

3.下游连接段

主要作用是消能、防冲和安全排出经闸基及两岸的渗流,通常包括护坦、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及两岸护坡等。闸下水流的衔接消能方式一般都采用底流式水跃消能。

2.1.1.4　水力自动翻板闸门

水力自控翻板门系利用水力和杠杆原理,使其绕水平轴转动,从而实现自动开启和关闭,具有自动启闭、结构简单、便于管理和造价低廉等优点,农村水电使用的翻板闸门高度一般在3～5m左右。由闸门、溢流坝及下游护坦三部分组成,闸门采用水力自控双铰翻板闸门,由预制钢筋混凝土面板、支腿、支墩及滚轮等构件组装而成。目前,有的翻板闸还装设有液压启闭设施。如图2.1.3所示滚轮连杆式水力自控翻板闸门结构图。

一般当水位超过闸顶15～20cm左右时,闸门倾倒。翻板闸倾倒后闸门上下同时过水,面板上的溢流水舌与闸下孔流间形成空腔,空腔中的空气被水流带走形成不稳定的负压。闸门两侧边壁使过闸水流两侧形成漏斗,带入空气使空腔压力不稳。闸门刚开启时远驱水跃在闸门底部产生的负压,闸门开度小时形成的波状水跃,闸门全开时临界淹没水跃及风浪造成闸上游水位不稳定,以上因素影响闸门的运行稳定。运行中普遍存在着诸多如突然翻倒、频繁摆动和“拍打”等失稳现象,对闸门的正常运行非常有害的,轻者能引起工程结构的整体振动,产生噪声,重者可导致闸门失稳破坏。

洪水期,河道中飘浮的树枝、杂草、垃圾较多,使翻板闸很容易被卡塞,造成漏水或严重影响自控翻板门的正常工作。多泥沙河流不宜使用,因泥沙淤积也容易造成闸门无法正常运行的情况。河流比降大、推移质多的河流也不宜使用,陕西某电站翻板闸钢筋混凝土面板,汛期被洪水挟带的漂石砸穿。图2.1.4为陕西省蓝田县蓝桥河水电站翻板闸。

2.1.1.5　橡胶坝

橡胶坝是横放在溢洪道或拦河闸底部的一整块橡皮胶囊,当胶囊中充水胀起时挡水,完全放空时塌坝泄水。适用于5m以下低水头且泥沙较少的河流上。橡胶坝的优点是封闭孔口面积大;施工安装方便,只要将完整的胶囊用紧固件固定在闸底板上即可。不需门槽、预埋件和启闭设备,相比于钢闸门投资少。缺点是橡胶容易老化损坏,不易控制和调节流量及水位,易被树枝等漂浮物刺破,在多沙河流上容易磨坏胶囊,且易受淤积影响,检修时需将水放到槛底以下。当水位快速上涨,未及时塌坝时可能造成坝袋被压爆的可能。2013年2月27日,河南省洛阳市栾川县城第二级橡胶坝突然开裂,坝内蓄水迅速下泄,伊河县城段水位短时上涨,造成下游1人死亡。

2.1.1.6　土石坝

土石坝是以土料为主填筑的坝,筑坝材料取于当地,因此也称为当地材料坝。土石坝属于散粒体结构,整体稳定性相对较差,抗冲刷能力差,透水性高,抗剪强度低,压缩性大,受外界条件(地震、冻融等)影响大,坝顶不能过水,一般在坝体以外设置泄洪设施。土石坝坝体断面大,主要是渗透、坝坡稳定控制。土石坝按其防渗体位置不同分为以下类型:

(1)均质土坝。坝体断面不分防渗体和坝壳,坝体全部由渗透系数较小、性质基本一致的黏性土料筑成,保证坝体有足够的不透水性,整个坝体具有防渗作用。

(2)黏土心墙坝是在坝体中部用透水性小的黏性土料填筑防渗体,上下游坝壳为透水性较大的土料(如砂壤土、砂砾料等)。

(3)黏土斜墙坝是将黏性土防渗体填筑在坝体的迎水面,构成斜墙,斜墙后面的支撑体由透水性较大的土料(石渣料、砂砾料、风化料等)堆筑而成。

(4)非土质材料防渗体坝。防渗体由混凝土、沥青混凝土或土工膜组成,而其余部分由土石料构成的坝。防渗体在上游面的称为面板坝,在坝体中央的称为心墙坝。

2.1.2　泄水建筑物

其作用是泄洪、排沙和向下游泄放水量,控制水位,防止洪水漫过坝顶,确保挡水建筑物安全运用,是枢纽建筑物“三大件”之一。泄放正常运用(设计)洪水时,要保证挡水建筑物及其他主要建筑物的绝对安全,当泄放非常运用(校核)洪水时,要保证挡水建筑物的安全。

泄水建筑物可分为坝身式、岸边式和隧洞式三类,一般包括溢洪道、溢流坝、泄洪洞、中(底)孔等。

溢洪道是设置在挡水建筑物本身或其附近河岸的泄洪设施。坝身式泄水建筑物按其进水口所处部位和水力学特性等因素,可分为表孔、中孔、深孔和底孔等型式。

表孔一般采用开敞式溢流坝段(自由溢流)或安装有露顶钢闸门的溢流坝;中孔一般为有胸墙的孔口;底孔是穿过坝身底部的孔口或管道,它的作用为检修、抢险等时放空水库,或排除水库中淤积的泥沙等。泄水孔按其运行方式可分为无压泄水孔和有压泄水孔。图2.1.5为陕西省石泉县鹅项颈水电站坝顶自由溢流,图2.1.6为紫阳县深阳水电站溢流表孔。

☆安装有闸门的表孔,当闸孔数小于8孔时,闸孔数一般均为奇数,便于对称开启,以使水流流态稳定。泄洪时一般应先小流量开启,待下游水位升高到一定深度后再大流量泄放,以利于减少对下游的冲刷。这种开启方式也有利于下游河道作业、活动的人员尽早撤离,起到示警流量的作用。也利于鱼类游到岸边流速较小区域躲避,关闸时应渐次关闭,防止突然全关而使鱼类搁浅。

2.1.2.1　有压泄水孔

工作门布置在出口的一般为有压泄水孔。运行中常用事故检修闸门做挡水之用,以免洞身长期承受较大的内水压力,并避免泥沙淤积在洞中。有压泄水孔洞内水流平稳,门后通气条件好,便于部分开启,管理方便。为保证洞内不出现负压,出口顶部压坡,出口断面面积一般收缩为进口面积的80%～90%。

2.1.2.2　无压泄水孔

工作闸门布置在进口的隧洞,一般为无压泄水孔,一般由有压段和无压段组成。这种布置的优点是工作闸门和检修闸门均在首部,运用管理方便。缺点是如体形设计不当或施工质量不良,在高速水流作用下容易产生空蚀破坏。运行中应避免有压流、无压流交替出现的现象。

无压孔在平面上一般作直线布置,其出口一般高出下游水位,防止在孔内出现水跃。

为了保证洞内为稳定的无压流态,门后洞顶一般高出洞内水面一定高度,并在工作门后设通气孔,主要作用是排水补气、充水排气,以防止管壁在内部出现真空时失稳。孔口应高于水库校核洪水位,运行中不能堵塞。对属高速水流的无压泄水孔的通气孔,孔口风速可达40～50m/s,出口一般不能设在启闭机室内,否则应采取安全防护措施。对通气孔断面积的选择,目前尚无完善的理论公式计算,通常是按通气量的大小及允许的风速来确定,即式(2.1.1)。

通气孔的出口应设在水库最高水位以上,以防在高水位时向外溢水。

无压泄水孔水面以上必须留有一定的净空,若通气条件良好,在恒定流情况下,洞内水面线以上的空间不小于隧洞断面面积的15%,且高度不应小于400mm。

无压孔的工作闸门,可采用弧形闸门或平面闸门,事故检修闸门为平面闸门。弧形闸门的启闭机室一般设于坝内,对于中坝也可设于坝顶;平面闸门的启闭机室一般设于坝顶。也有将工作闸门布置在洞内某一适宜位置,此时门前为有压段,门后为无压段。但在隧洞的同一段内,应避免出现时而有压,时而无压的明满流交替流态,明满流交替容易引起震动和空蚀,使门槽及下游部分遭到破坏,同时对泄流能力也有不利影响。

设计或运行不当,使无压流变成半有压或压力流,有可能给工程安全带来严重隐患。以下情况需引起重视。

(1)未留通气孔或通气也面积不够,洞内水流在高速流动过程中,由于掺气作用,使进口掺气水流的水面线升至洞顶形成半有压流或有压流。

(2)无压洞出口下游水位超过设计高程,形成缓流或淹没出流,受下游水位的顶托而封闭洞口,形成间断性的半有压流。

(3)设计选用的糙率和谢才系数与实际不完全吻合,洞内实际水深比计算值大,水面以上空间部分不够25%,发生水面碰顶现象,使洞壁受到间歇性动水压力作用而引起洞身的破坏。

(4)无压洞超标准运用成有压或半有压,使洞内产生明满流交替的半有压状态,洞内发出“咕隆隆”的阵发性响声,使洞身遭受破坏。有些有压涵洞由于操作的错误也会产生很大的水锤压力而破坏洞身。

2013年2月15日,山西曲亭水库发生坝体坍塌事故,事故直接原因是水库左岸灌溉洞进口下游约35m处浆砌石洞身破坏,在库水渗透压力作用下,库水击穿洞身上部覆土,涌入洞内形成压力流,超出灌溉洞无压洞的运行条件,使下游洞段从出口处开始塌陷,进而逐渐向上游发展,坝体随洞身段塌陷而坍塌(详见水利部办公厅关于2013年水利安全生产事故情况的通报)。

2.1.3　消能建筑物

水电站筑坝抬高水位后,洪水时泄洪功率可达水电站装机容量的几十倍,若不妥善消能,将对河床和岸坡造成严重冲刷,危及建筑物安全。消能防冲设施如消力池、水垫塘、二道坝等就是用以消耗下泄水流能量,减轻下游河床冲刷的设施。应能在宣泄设计洪水及其以下各级洪水流量时,具有良好的消能效果,对超过消能防冲设计标准的洪水,允许消能防冲建筑物出现不危及挡水建筑物安全、不影响枢纽长期运行并易于修复的局部损坏;设计中允许消能建筑物的设计标准可以低于主体工程,但必须是在不危及主体建筑物安全,且易于修复的前提下,在软基上一般不宜低于主体工程。目前常用的消能形式有底流式消能、挑流式消能、面流式消能和消力戽消能等。

2.1.3.1　挑流消能

挑流消能是利用泄水建筑物鼻坎将下泄的高速水流抛射向空中,远离坝趾,使水流扩散,并掺入大量空气,然后跌入下游河床水垫中。挑流消能又可分不对冲挑流和对冲挑流。水流在同空气摩擦的过程中消耗能量约20%左右,进入下游水垫后,通过形成强烈的旋滚进一步消能。大部分能量消耗在水滚的摩擦中,随着冲坑逐渐形成和加深,水垫越来越厚,冲坑也逐渐趋于稳定。挑流消能一般适用于基岩比较坚固的高坝或中坝,低坝需经论证才能选用。当采用挑流消能时,挑流水舌应不影响岸坡稳定及其他建筑物的安全和运行。挑流冲坑最低点距坝趾的距离不得小于2.5倍坑深。泄洪时,应先小流量开启,待下游水位升高,水垫达到一定深度后开启大流量下泄,可以减轻冲刷。图2.1.7为挑流消能示意图。

鼻坎挑流式。为了使泄水跌落点远离坝趾,常在溢流堰顶曲线的末端以反弧段连接挑流鼻坎,挑流鼻坎多采用连续式结构,为了减轻落点单宽流量,也有采用差动式鼻坎。

跌流消能设计。对于基岩良好,泄洪流量不大,单宽流量较小,比较薄的双曲拱坝或小型拱坝,常采用坝顶自由跌流的方式,溢流头部通常采用非真空的标准堰型。挑流消能时当坝顶水头较低时,也有可能转变为跌流。因此,在坝下也需要设短护坦或加深齿墙。

滑雪道式。滑雪道式泄洪是拱坝特有的一种泄洪方式,需要根据坝后的地形、地质条件而定。

2.1.3.2　底流消能

中、低坝或基岩较软弱的河道一般采用底流消能。通过在坝趾下游设消力池、消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水跃内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。

对于在设计及校核洪水情况下,上下游水位差不大的工程,常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪时上下游水位差更大,对下游冲刷更严重,很多工程护坦设计不是设计、校核工况控制,而是常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪控制。因此更应注意常遇洪水及正常蓄水位情况下小流量泄洪时消能安全,闸门可对称小流量开启,待下游水位达到一定深度再大流量下泄。图2.1.8为底流消能示意图。

2.1.3.3　面流消能

面流式消能是利用鼻坎将主流挑至水面,通过在主流下面形成旋滚来消能。适用于下游水位稳定,尾水较深,水位变幅不大,河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力顺直河道上水头较小的中、低坝。水滚流速较低,而且系沿河床流向坝趾,河床一般不需加固,但需注意防范水滚裹挟石块,磨蚀坝脚基础。根据下游河床地质条件,面流式消能可不做护坦,但因为高速水流在表面,并伴随着强烈的波动,使下游在很长距离内(有的可绵延数里)水流不够平稳,可能影响电站的运行和下游航运,且易冲刷两岸,因此也须采取一定的防护措施。图2.1.9为面流式消能示意图。

2.1.3.4　戽流消能

适用于尾水较深(大于跃后水深),且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。消力戽的挑流鼻坎潜没在水下,形不成自由水舌,水流在戽内产生旋滚,经鼻坎将高速的主流挑至表面,戽内的旋滚可以消耗大量能量,因高速水股在表面,也减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深(通常大于跃后水深),变幅较小,无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。高速主流在表面,不需设长护坦,但水面波动较大,其缺点与面流式消能工相同。图2.1.11为戽流消能示意图。

2.1.3.5　泄洪消能建筑物的空蚀及雾化

(1)空蚀。空蚀是指流体在高速流动和压力变化条件下,与流体接触的建筑物、金属表面上发生洞穴状空蚀破坏的现象。常发生在如转轮叶片叶端的高速减压区,在此形成空穴,空穴在高压区被压破并产生冲击压力,破坏金属表面上的保护膜,而使腐蚀速度加快。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点,然后逐渐扩大成孔洞。

泄水和消能建筑物的下列部位或区域发生空蚀破坏的可能性大,运行中应特别重视:①进出口、闸门槽、弯曲段以及水流边界突变处;②反弧段及其附近;③异形鼻坎、分流墩;④消力池中的趾墩、消力墩;⑤溢流面上和泄水孔内流速大于20m/s的区域。⑥溢流面施工不规则部位、残存的钢筋头等位置。

(2)雾化。挑流消能的水流雾化时的水雾高度可达正常蓄水位,影响长度可达1km,水雾强度可达暴雨级别。对拱坝挑流、跌流消能,特别是高拱坝空中对冲消能的泄洪雾化对枢纽建筑物、下游两岸山体、电气设备、输电线路、交通道路和各种洞口等均有不利影响,干旱地区雾化还会造成滑坡等地质问题,必要时应采取相应的防护措施。多泥沙河流泄洪还会产生泥雾,常造成厂区升压变电站污闪。